ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 16 (3) (2013) : 65 – 69
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa

## Studi Pembuatan dan Karakterisasi Membran Pervaporasi Berbahan Dasar Zeolit Alam
Muslimin a , Taslimah a* , Rahmad Nuryanto a
a Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang * Corresponding author: taslimah@live.undip.ac.id
A r t i c l e   I n f o

## A b s t r a c t
Keywords: Zeolite membrane, support layer, pervaporation Inorganic membrane preparation by mixing γ alumina kaolin and water has been done. Then add the additive mixture until the paste is obtained. The paste is molded into pellet form, calcined at a temperature of 1250°C for 4 hours, then coated with zeolite paste. The resulting  membrane  was  heated  at  400°C  and  1250°C  for  4  hours.  Membrane characterization was performed using universal testing machine, XRD, SEM and soaking test. It was concluded that the zeolite membrane with the activation temperature of 400°C had the greatest compressive strength of 13.73 x 10 -3 (N/mm 2 ). The mineral components of the membrane constituent were mordenite, while the alumina and kaolin were in an amorphous state. Morphology of membrane surface formed was not uniform, membrane with heating 1250 ° C has strength and endurance in immersion test in water.

## A b s t r a k
Kata Kunci: Membran zeolit, support layer, pervaporasi
Pembuatan  membran  anorganik  dengan  cara  mencampurkan γ alumina  kaolin  dan  air telah dilakukan. Selanjutnya ditambahkan campuran bahan aditif hingga diperoleh pasta. Pasta  dicetak  menjadi  bentuk  pelet,  dikalsinasi  pada  suhu  1250°C  selama  4  jam, selanjutnya dilapisi dengan pasta zeolit. Membran yang dibuat dipanaskan pada 400°C dan  1250°C  selama  4  jam.  Karakterisasi  membran  dilakukan  dengan  menggunakan universal testing machine, XRD, SEM dan uji perendaman. Disimpulkan bahwa membran zeolit dengan suhu aktifasi 400°C mempunyai kuat tekan yang paling besar yakni 13,73 x 10 -3 (N/mm 2 ).  Mineral  komponen  penyusun  membran  adalah  mordenit,  sedangkan alumina  dan  kaolin  dalam  keadaan  amorf.  Marfologi  permukaan  membran  yang terbentuk  tidak  seragam,  membran  dengan  pemanasan  1250°C  memiliki  kekuatan  dan ketahanan pada uji perendaman dalam air.

## 1. Pendahuluan
Pervaporasi adalah salah satu proses pemisahan menggunakan  membran  untuk  pemurnian  etanol, kemampuan  pervaporasi  pemisahan  campuran azeotrop  dengan  proses  yang  sederhana  dan  tanpa memerlukan penambahan zat kimia [1].
Membran  anorganik  yang  umum  digunakan yaitu membran zeolit dengan campuran alumina dan silika. Membran zeolit memiliki kelebihan diantaranya  tidak  menimbulkan swelling,  memiliki struktur  molekul  seragam,  berpori  [2].  Stabil  pada proses kimiawi dan termal. Dengan demikian, zeolit
memiliki potensi digunakan pada proses pervaporasi bioetanol  [3].  Teknologi  pemisahan  dengan membran mempunyai peranan yang sangat penting. Keunggulanya  yaitu  dapat  memisahkan  spesi-spesi kimia  secara  spesifik,  dapat  beroperasi  pada  suhu rendah,  hemat  energi,  prosesnya  tidak  destruktif terhadap  zat-zat  yang  dipisahkan,  dan  tidak menimbulkan  dampak  yang  negatif  terhadap lingkungannya  [4].  Peranannya  menjadi  sangat besar,  misalnya  dalam  pengolahan  air  buangan industri,  bioteknologi,  industri  farmasi,  dan  dalam teknologi pemisahan lainya.
Ariestya dkk.  [1]  telah  melakukan  kajian pembuatan Support  Layer  untuk  membran pervaporasi  dengan  menggunakan  bahan  zeolit sintesis yang hasil membran berbentuk tube namun pada  pemanasan  1250°C tube  tersebut  mengalami perubahan fisik menjadi bengkok
Berdasarkan  hasil  penelitian  diatas  pada penelitian ini dilakukan pembuatan membran zeolit dengan  menggunakan  bahan  baku  zeolit  alam. Membran yang di buat berbentuk pelet. Zeolit alam yang  digunakan  diaktifasi  dengan  asam  dan dipanaskan dengan variasi suhu 200, 300 dan 400 o C diharapkan zeolit akan memiliki luas pori yang lebih baik.

## 2. Bahan Dan Metode

## Alat dan Bahan
Bahan-bahan yang digunakan adalah γ Alumina, Polyethylene  glycol,  Sodium  citrate  Carboxy methylcellulose,  Kaolin,  Magnesium  sulfate,  Zeolit Alam. Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah  Gelas  beker,  oven, furnace,  gelas  ukur, ekstruder, X-ray diffraction (XRD),

## Preparsi zeolit
Zeolit  alam  di  hancurkan  dengan  proses mekanik  hingga  halus  setelah  itu,  di  lakukan pemisahan  dengan  ukuran ayakan 100 mesh. Zeolit yang sudah di ayak dilarutkan kedalam HF 1% selama 10-15 menit lalu dinetralkan dengan aquades hingga pH  netral,  kemudian  di  keringkan  dalam  oven  [5]. Aktifasi  zeolit  alam  dilakukan  dengan  proses kalsinasi  dengan  variasi  suhu  200,  300° dan  400°C selama 4 jam.
Pembuatan (S upport Layer)
Pembuatan Support  Layer  dengan  cara mencampurkan bahan utama γ alumina dan kaolin, ditambahkan  zat  aditif  yang  terdiri  dari  campuran, carboxymethyl cellulose 3 g, polyethylene glycol 0,8 ml, sodium  citrate  2 g,  dan  Magnesium sulfate  2  g. Campuran  di mixing  selama  15  menit.  Kemudian ditambah  air  ke  dalam  campuran  secara  tetes  per tetes.  Selanjutnya  di pugging  selama  30  menit sehingga campuran berbentuk pasta, yang homogen dan elastis. Selanjutnya dilakukan ageing selama 30 menit,  pada  suhu  kamar  dimana  ruang  tempat penyimpanan bahan tidak terkena cahaya matahari. Pasta  kemudian  dicetak.  dikeringkan  pada  suhu kamar  selama 3  hari. Kalsinasi support  layer dalam cetakan  dilakukan  pada  suhu  1250 o C  selama  4  jam [6].

## Pembuatan Membran Zeolit
Membuat  pasta  dengan  melarutkan  zeolit dengan air dan polyethylene glycol ± 4 ml. Kemudian dilakukan  pengadukan  menggunakan magnetic stirrer  hingga  larutan  jenuh  dan  kental.  Panaskan
clear solution hingga mencapai suhu 80 o C. lapiskan pasta  kepermukaan support  layer  dengan  tiga  kali pengulangan, selanjutnya dikeringkan selama 3 hari pada suhu kamar, selanjutkan dipanaskan pada suhu 400 o C selama 4 jam

## Karakterisasi Membran Zeolit
Karakterisasi  dilakukan  untuk  mengetahui karakter  dan  kemampuan  membran  zeolit  meliputi kekuatan  mekanik  dengan  mengunakan  alat Universal  Testing  Machine.SEM  untuk  mengetahui struktur  mikro  suatu  material  berupa  morfologi lapisan  membran  [7].  X-Ray  Difraction  digunakan untuk  mengidentifikasi  jenis  mineral  penyusun membran yang terbentuk. Uji perendaman dalam air dilakukan dengan cara merendam membran kedalam air selama 3 hari.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Preparasi
Preparasi sampel dilakukan untuk memperoleh ukuran  partikel  lolos  ayakan  100  mesh  dan  untuk memperbesar luas permukaan zeolit alam sehingga kemampuan adsorpsi dapat lebih optimal. Perendaman  zeolit  dalam  larutan  HF  1%  selama  10 menit.  Bertujuan  untuk  melarutkan  oksida-oksida pengotor  yang  masih  ada  pada  zeolit.  Zeolit  yang sudah  direndam  dengan  larutan  HF  1%  yang mempunyai  pH  asam  sekitar  3-4,  kemudian  pH zeolit  dinetralkan  sampai  pH  7  dengan  cara pencucian  menggunakan  akuades  dan  dikeringkan dengan  variasi  suhu  200,300,  dan  400°C  selama  4 jam [8].

## Pembuatan Membran Zeolit .
Pada  pembuatan support  layer  dengan komposisi  alumina  :  kaolin  =  50  :  30  [1]. Zat  aditif yang di tambahkan carboxy methyl cellulose fungsi penambahan  CMC  yaitu  sebagai  pengental, stabilisator, pembentuk gel, sebagai pengemulsi dan perekat polyethylene  glycol,  sodium  citrate, Magnesium sulfate, fungsinya untuk meningkatkan kekuatan  dari support,  sebelum  mengalami perlakuan panas, atau di sebut green body [9] Setelah itu  dibentuk  menjadi  suatu  pasta  dengan ditambahkan  air.  Campuran  bahan  organik  dan anorganik di pugging. Campuran didiamkan selama 15 menit  tujuannya  terjadi  penguapan agar support layer tidak retak saat dicetak.
Support  Layer  yang  terbentuk  di  kering anginkan  selama  3  hari  dan  kemudian  di furnace pada  suhu  1250 o C  selama  4  jam,  Pelapisan  zeolit dilakukan  dengan  membuat clear  solution  yang terdiri dari zeolit alam PEG dan air. Kemudian bahan tersebut di campur di buat pasta. Pasta zeolit tersebut kemudian  dilapiskan  pada support  layer  dan kemudian  dipanaskan  pada  suhu  400°C  dan  1250 o C [10].
Hasil  membran  zeolit yang  telah  dilapisi memiliki  permukaan  pori-pori stampak  lebih  rapat dan  berwarna  lebih  kecoklatan  yang  merupakan warna dari zeolit alam, yang mana hasilnya terlihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 1. Hasil Membran Zeolit

## Uji Tekan
Uji  kuat  tekan  dilakukan  untuk  mengetahui kemampuan  membran  menahan  beban.  Kuat  tekan ( compression  strength)  yaitu  besarnya  gaya  tekan (newton)  tiap  satuan  luas  penampang  benda  (m 2 ) sampai membran hancur. Tujuan aplikatif dari kuat tekan membran adalah mengetahui kisaran tekanan maksimum  sebelum  membran  hancur  jika  ikenai gaya yang berasal dari luar, pompa kompressor.
Pengujian  kuat  tekan  ini  menggunakan  alat Universal Testing Machine. Adapun skema pengujian membran yaitu dengan memberikan gaya tekan pada permukaan  membran  penekan  terhubung  dengan komputer.  Gaya  tekan  memiliki  arah  dari  atas  ke bawah  menuju membran  yang  terpampang  ke atas, dimana posisi membran ditunjukkan dengan dua sisi yang  berlawanan  dijepit  oleh  sistem  penyangga. Hasil uji tekan disajikan pada tabel berikut.
Tabel 1: Hasil uji tekan Suhu aktivasi Luas (mm 2 ) Beban Maksimal (N) Kokoh Tekan (N/mm 2 ) 200°C 1256 5.061 4,3.10 -3 300°C 1256 14.652 11,66.10 -3 400°C 1256 17.249 13,73.10 -3
Pada  percobaan  ini  dihasilkan  suhu  terbaik untuk  aktivasi  pada  pemanasan  400°C  karna memiliki kuat tekan paling baik. Pada suhu dibawah ini maka belum semua air dan bahan-bahan organik pengotor  teruapkan  hal  ini  yang  menyebapkan kekuatan benda uji berkurang. Namun bila suhu lebih dari  400°C  maka  dimungkinkan  terjadi  kerusakan pada kerangka zeolit yang menyebabkan kemampuan adsorpsinya terhadap uap air menurun pada  saat  aplikasi.  Kecenderungan  hasil  perlakuan dengan  panas  terhadap  zeolit  alam  Indonesia  ini
sesuai dengan hasil yang diperoleh pada zeolit alam Turki dimana kemampuan adsorpsi zeolit alam Turki mula-mula  meningkat  seiring  dengan  peningkatan suhu aktivasi, akan tetapi setelah suhu diatas 400°C kemampuan  adsorpsi  zeolit  turun.  Stabilitas  atau ketahanan  zeolit  ini  terhadap  panas  relatif  rendah, berkisar  pada  suhu  300-700°C  tergantung  pada struktur masing-masing zeolit [11, 12].
Karakterisasi Menggunakan XRD Karakterisasi membran zeolit dengan disfraktometer  sinar  X.  karakterisasi  ini  dilakukan untuk  mengetahui  jenis  mineral.  Pengujian  dengan XRD  menghasilkan  difraktogram  yang  merupakan perbandingan antara sudut (2 θ ) terhadap intensitas difraksi. Difraktokram tersebut memberikan informasi tentang jenis mineralnya.
Difraktogram  hasil  pengukuran  disajikan  pada gambar berikut:
Gambar 2. Difraktogram Membran Zeolit
Dengan  membandingkan  sudut  difraksi  diatas dengan  sudut  difraksi  standar  JCPDS,  maka  dapat dikelompokan  pada  tabel  2.  Analisis  hasil  difraksi sinar-X dilakukan dengan metode Hanawalt dengan menggunakan Data  Base  JCPDS  (Joint  Committee Powder Diffraction Standard). Hasil difraksi sinar X dari  benda  uji,  mineral  yang  terbentuk peak adalah mordenit.  Mordenit  berasal  dari  zeolit  yang digunakan sebagai  pelapisan Support Layer dengan pemanasan 400°C sehingga struktur tidak mengalami  kerusakan.  Sedangkan  struktur  pada alumina dan kaolin yang berasal dari Support Layer mengalami  kerusakan  karena  pemanasan  suhu tinggi 1250°C. Bentuk puncak yang relatif landai dan lebar  menandakan  bahwa  struktur  yang  terbentuk ada  pada  keadaan  amorf.  Untuk  masing-masing komposisi seperti yang terlihat pada tabel 2 dibawah ini.
Tabel 2: Harga 2 θ Kandungan Mineral Zeolit membran Membran Zeolit JCPDS Jenis mineral 2( θ ) I/I 0 2( θ ) I/I 0 22.28 17 22.20 70 Mordenit
JCPDS No.29-1257 26.64 82 26.26 35
32.98 15 32.96 2 45.50 20 45.54 20 Alumina JCPDS No.04-0878 67.43 67 67.30 30 39.54
19 39.85 10 26.60 49 26.74 5 Kaolin
JCPDS No.03-0058
35.16 18 35.02 50
20.77 48 20.54 60

## Karakterisasi Menggunakan SEM
Pada  analisis  menggunakan  SEM  dapat dilakukan untuk menentukan morfologi permukaan support  layer  zeolit.  Sampel  yang  danalisa menggunakan SEM ada 3 yaitu sampel A dengan suhu aktivasi zeolit 200°C,sampel B dengan suhu aktifasi zeolit 300°C dan sampel dengan suhu aktivasi 400°C.
Gambar 3. Marfologi permukaan Membran zeolit perbesaran 2000 kali (a) aktivasi pada 2000°C (b) aktivasi pada 3000°C (c) aktivasi pada 4000°C
Dari  gambar  3  dapat  diamati  marfologi permukaan  membran  zeolit  dengan  suhu  aktivasi 200,  300  dan  400°C  tidak  terdapat  perbedaan  yang nyata pada permukanya memiliki bentuk yang tidak teratur. Ketidak teraturan permukaan ini di karnakan masih  besarnya  partikel-partikel  zeolit  sebagai pelapis  permukaan  membran  zeolit.  Hal  lain  yang bisa  terjadi  karna  kurangnya  tekanan  pada  saat pelapisan  membran  sedangkan  ukuran  mineral didapat berkisar 2- 4 μm .
Pada  tahap  akhir  penelitian  dilakukan  uji perendaman  kedalam  air  terhadap  benda  uji  yang dilapisi  zeolit  dengan  pemanasan  400°C  dan pemanasan  benda  uji  1250°C,  dengan  merendam membran  kedalam  air.  Hasilnya  membran  yang dilapisi  zeolit  dengan  pemanasan  400°C  lapisan zeolitnya  rontok.  Sedangkan  membran  yang dipanaskan pada suhu 1250°C, lapisan zeolitnya tidak mengalami  kerusakan.  Hal  ini  mengindikasikan bahwa membran yang dipanaskan pada suhu 1250°C lebih kuat dah lebih tahan pada perendaman dalam air.  Berdasarkan  hal  tersebut  dapat  dinyatakan bahwa membran yang dipanaskan 1250°C lebih baik dari membran yang dipanaskan 400°C . Perendaman ini  adalah  indikator  dasar  yang  digunakan  untuk mengetahui  tingkat  kekuatan  dan  kerapuhan membran saat digunakan [13].

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan diatas dapat disimpulkan  bahwa  membran  zeolit  yang  dibuat dengan suhu aktivasi 400°C yang paling kuat dengan kuat  tekan  13,73.10 -3 (N/mm 2 ).  Mineral  komponen penyusun  Membran  Zeolit  adalah : mordenit, sedangkan  alumina  dan  kaolinit  dalam  keadaan amorf.  Membran  yang  dipanaskan  pada  1250°C selama 4 jam memiliki kekuatan dan ketahanan yang lebih besar pada perendaman dalam air.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  Meta Devi Ariestya, Mahsunnah Lulluil, Susanto Heru,  Pembuatan  dan  Karakterisasi  Support Layer  Untuk  Membran  Pervaporasi, Jurnal
Teknologi  Kimia dan  Industri,  1,  1,  (2012)  222- 228 [2]  Shin-Ling  Wee,  Ching-Thian  Tye,  Subhash Bhatia, Membrane separation process — pervaporation  through  zeolite  membrane, Separation  and  Purification  Technology,  63,  3, (2008) 500-516
http://dx.doi.org/10.1016/j.seppur.2008.07.010
[3]  Aisheng  Huang,  Weishen  Yang,  Hydrothermal synthesis  of  uniform  and  dense  NaA  zeolite membrane in the electric field, Microporous and mesoporous  materials,  102,  1,  (2007)  58-69 http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2006.12.0 05
[4]  Anil  K  Pabby,  Syed  SH  Rizvi,  Ana  Maria  Sastre Requena,  Handbook  of  membrane  separations:
chemical, pharmaceutical, food, and biotechnological applications, CRC press, 2015.
[5]  Zhanzhao Yang, Yanmei Liu, Congli Yu, Xuehong Gu,  Nanping  Xu,  Ball-milled  NaA  zeolite  seeds with  submicron  size  for  growth  of  NaA  zeolite membranes, Journal of membrane science, 392,
(2012)
18-28 http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2011.11.036
[6]  Sonia  Aguado,  Jorge  Gascón,  Jacobus  C  Jansen,
Freek  Kapteijn,  Continuous  synthesis  of  NaA zeolite membranes,
Microporous and Mesoporous  Materials,  120,  1,  (2009)  170-176 http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2008.08.
062
[7]  Aisheng  Huang,  Nanyi  Wang,  Jürgen  Caro, Synthesis of multi-layer zeolite LTA membranes with  enhanced  gas  separation  performance  by using
3-aminopropyltriethoxysilane as interlayer, Microporous  and  Mesoporous Materials, 164, (2012) 294-301 http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2012.06.0
18
[8]  Zan Chen, Dehong Yin, Yinhui Li, Jianhua Yang, Jinming Lu, Yan Zhang, Jinqu Wang, Functional defect-patching  of  a  zeolite  membrane  for  the dehydration  of  acetic  acid  by  pervaporation, Journal of membrane science, 369, 1, (2011) 506-
513 http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2010.12.034
[9]  Cut  Meurah  Rosnelly,  Pengaruh  Rasio  Aditif Polietilen  Glikol  Terhadap  Selulosa  Asetat  pada Pembuatan  Membran  Selulosa  Asetat  Secara Inversi  Fasa, Jurnal  Rekayasa  Kimia  & Lingkungan, 9, 1, (2012) 25-29
[10] Lulu  Lai,  Jia  Shao,  Qinqin  Ge,  Zhengbao  Wang, Yushan  Yan,  The  preparation  of  zeolite  NaA membranes on the inner surface of hollow fiber supports, Journal  of  membrane  science,  409,
(2012) 318-328 http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2012.03.068
[11]  Mark W Ackley, Salil U Rege, Himanshu Saxena, Application of natural zeolites in the purification and  separation  of  gases, Microporous  and Mesoporous  Materials,  61,  1,  (2003)  25-42 http://dx.doi.org/10.1016/S1387-1811(03)00353-
6
[12] Pramatha  Payra,  Prabir  K  Dutta,  Zeolites:  a primer, Handbook  of  zeolite  science  and technology, (2003) 1-19
[13] EJ  Flynn,  DA  Keane,  PM  Tabari,  MA  Morris, Pervaporation performance enhancement through the incorporation of mesoporous silica spheres  into  PVA  membranes, Separation  and Purification  Technology,  118,  (2013)  73-80 http://dx.doi.org/10.1016/j.seppur.2013.06.034